一般に悪性腫瘍は、正常組織と比較して、また乳房付近に存在する脂肪組織と比べても、細胞と血管が多く集まっているため、より多くの水分が存在している。この水分含有割合の違いにより誘電率が異なるため、電磁波の伝播特性が異なり、正常な脂肪組織と悪性腫瘍との境界でマイクロ波の強い反射が計測される。マイクロ波マンモグラフィーは、これらの特性を利用して画像化を行っている。ただマイクロ波には、X線とは異なり伝播経路が複雑なため、画像の再構成に必要な「散乱の逆問題」という課題があった。この解決のために、多重経路の散乱場を5次元の方程式で記述し、その解を求め、さらに「時間と空間の極限操作」という手法により、散乱を起こす物体の3次元形状を求める関数を導き出したことにより実現した。
従来のX線を使用したマンモグラフィーでは被曝が避けられなかったのに対して、マイクロ波マンモグラフィーにはX線による被曝の危険性が無い。また、乳がんはX線での撮影では写り難いため、しばしば見落としが起こり、問題視されていた。この欠点を補うべくマイクロ波を使用するマンモグラフィーが開発された。従来のX線を使用したマンモグラフィーの読影の精度は熟練者の判断に依存していたのに対して、マイクロ波マンモグラフィーは、より鮮明に悪性腫瘍を判別できる。従来のX線での撮像では困難だった腫瘍も撮像出来る。
チームはオフに積極的な補強を行う。フリーエージェントからLBアディリアス・トーマス、RBサミー・モリス、WRダンテ・ストールワースなどを獲得。さらにマイアミ・ドルフィンズからWRでスペシャルチーマーのウェス・ウェルカーをドラフト7巡指名権とのトレードで、そしてオークランド・レイダーズからランディ・モスを4巡指名権とのトレードで獲得した。ペイトリオッツ加入にあたりモスは大幅なサラリーカットを受け入れた。チームは開幕戦のニューヨーク・ジェッツ戦でジェッツのディフェンスシグナルを盗撮していたという違反行為を犯す。この違反行為で2008年度のドラフト1巡指名権を剥奪され（チームはこの年の1巡指名権を2つ持っていたが剥奪されたのは1つ）さらに25万ドルの罰金を課せられた。スパイゲートと名付けられたこの事件でペイトリオッツとHCビル・ベリチックは多くのメディアやフットボールファンから非難を受けるが、チームは開幕から快進撃を続ける。ミネソタ・バイキングス時代は5度プロボウルに選出されるなど実力は確かながら、ここ数年精彩を欠いていたモスはペイトリオッツで本来の輝きを取り戻しTDを量産すると、小兵のウェルカーがチームトップのレシーブ回数でパス攻撃を引っ張った。リーグ最高クラスのレシーバー陣を手に入れたブレイディはパサーとしての能力を最大限に発揮し、第7週のマイアミ・ドルフィンズ戦ではパス354ヤード6TD、QBレイティング満点の158.3を記録するなど第8週までで1試合平均41得点という爆発的なオフェンスを指揮した。第9週では同じく無敗のインディアナポリス・コルツと対戦し、第4Qで一時10点差をつけられるがブレイディからケビン・フォークへのTDパスが決まり逆転すると最後はペイトン・マニングからファンブルを奪い24-20で勝利した。第13週のボルチモア・レイブンズ戦では相手ディフェンスのパス・ラッシュに苦しみ思うようなプレーができず、第4Qで7点のリードを許していた。しかし4点差を追う第4Q残り3分30秒からのドライブでは二度4thダウンギャンブルを失敗するも一度はレイブンズのDCがプレー開始直前にタイムアウトを取っていたため無効に、二度目は相手チームのホールディングの反則で難を逃れ、最後は残り55秒でジャバー・ギャフニーへの逆転TDパスが決まり27-24で勝利をおさめた。この頃からペイトリオッツと対戦するチームはブリッツを多用しブレイディにプレッシャーをかける戦術をとるようになった。続く第14週ではピッツバーグ・スティーラーズとホームで対戦。スティーラーズのSアンソニー・スミスは試合前に自分たちの勝利を保障 (guarantee) した。ペイトリオッツはSトロイ・ポラマルを欠いていたスティーラーズを相手にモスとブレイディのトリックプレーなどでguarantee発言をしたスミスの背後を突き、34-13で勝利しAFC東地区優勝を決めリーグ最速でプレイオフ出場を決めた。チームは無敗のままシーズン最終週をむかえ、敵地でニューヨーク・ジャイアンツとレギュラーシーズン全勝をかけて対戦した。第2QにモスへのTDパスが決まりモスはジェリー・ライスの持つシーズン最多TDレシーブ22に、ブレイディはペイトン・マニングの持つシーズン最多TDパス49に並んだが、直後のリターンでTDを奪われるなど一時は12点のリードを許す苦しい展開となる。5点差を追う第4Q残り11分25秒、モスはフリーでロングパスを受けるもパスが低かったこともあり落球してしまう。しかし次のプレイでブレイディが再びモスにロングパスを投げ、これが今度は65ヤードのTDパスとなり逆転に成功した。トム・ブレイディがシーズン最多50TDパス、そしてランディ・モスがシーズン最多23TDレシーブを同じプレーで達成する快挙を成し遂げた。その後はリードを保って38-35で勝利し、シーズンが16試合制となってからは初のレギュラーシーズン全勝を達成した。ブレイディは50TDパス(8INT)、パス4,806ヤード、パス成功率68.9%、QBレイティング117.2と素晴らしい成績をおさめ、50票中49票を獲得してリーグMVPに輝いた。ディビジョナル・プレーオフではブレイディがパス28回中26回成功、263ヤード3TDの活躍を見せ31-20でジャクソンビル・ジャガーズに勝利した。1試合でのパス成功率92.9%はNFL記録となった。AFCチャンピオンシップ・ゲームではブレイディが3INTを喫し苦戦するがディフェンスが奮闘しTDを許さず、21-12でサンディエゴ・チャージャーズを退け史上初のシーズン18連勝を達成した。1972年シーズンのマイアミ・ドルフィンズ以来のパーフェクトシーズン（当時はレギュラーシーズン14試合制）が期待される中、2月3日の第42回スーパーボウルを迎えた。対するニューヨーク・ジャイアンツは最終週でペイトリオッツに敗れて以降調子をあげ、敵地でダラス・カウボーイズ、グリーンベイ・パッカーズを撃破し、ワイルドカードから見事スーパーボウル進出を達成した。試合はペイトリオッツ優位と見られていたが、ジャイアンツの強力DL陣が中心となりブレイディに5つのサックを浴びせペイトリオッツオフェンスを封じると、ペイトリオッツもベテランが中心となりジャイアンツオフェンスを抑え、試合は予想外のロースコアゲームとなる。ペイトリオッツは試合終盤にブレイディからモスにTDパスが通り14-10とリードを奪ったが、最後はQBイーライ・マニングがWRデイビッド・タイリーのスーパーキャッチを経てウイニングドライブを決め、ペイトリオッツは激戦の末に14-17で敗退した。